Acerca del titanato de aluminio refractario

Cerámica de titanato de aluminio

1. La influencia de los aditivos en la estructura y las propiedades del titanato de aluminio refractario:

Refractario de titanato de aluminio
Ventajas: alto punto de fusión, baja expansión, etc.
Inconvenientes: baja resistencia, fácil descomposición, difícil sinterización, etc.

La baja expansión del refractario de titanato de aluminio se basa en las microfisuras, y un exceso de microfisuras conducirá inevitablemente a una baja resistencia. Para mantener la baja expansión del material y, al mismo tiempo, tener una resistencia considerable, el tamaño y el número de grietas deben controlarse dentro de un cierto rango adecuado. Para ello, hay que reducir el coeficiente intrínseco de expansión térmica del Al2TiO5, reducir su anisotropía y controlar el tamaño del dominio de grano. La introducción de aditivos puede inhibir eficazmente el crecimiento del tamaño de las partículas y modificar las propiedades de los materiales de titanato de aluminio.

El MgO es el aditivo más utilizado en la preparación de titanato de aluminio refractario. El MgO disuelve y sustituye al Al2O3 en el Al2TiO5, y aumenta la constante de red del Al2TiO5.

Según la curva de relación entre la cantidad de MgO añadida y la constante de red de Al2TiO5, el límite de solubilidad sólida del MgO en Al2TiO5 es de 25% (fracción de masa). El exceso de MgO reacciona con el Al2O3 sustituido para formar espinela.

Éste y el óxido de aluminio sustituido existen en los límites de los granos, dificultando el crecimiento de los granos de Al2TiO5, debilitando la estructura de los dominios, reduciendo el agrietamiento de los límites de los granos, favoreciendo la sinterización del material y facilitando el fortalecimiento de los materiales sintéticos. Para el Al2TiO5, el óxido de magnesio también es un buen estabilizador. 5% (fracción de masa) de MgO puede hacer que Al2TiO5 se someta a un tratamiento térmico de 1100℃, 9h sin descomponerse.

Una cantidad adecuada de MgO no sólo puede controlar parcial o totalmente la descomposición térmica de la porcelana de titanato de aluminio, sino también mejorar las propiedades mecánicas de la porcelana, y tiene poco efecto sobre otras excelentes propiedades térmicas de la porcelana. La adición de óxido de magnesio aumentará ligeramente el coeficiente de dilatación térmica del material, pero sigue siendo inferior al de otros materiales.

El Fe2O3 se considera uno de los mejores aditivos. Cuando se utiliza Fe2O3 como aditivo, reacciona con el TiO2 a unos 1100℃ para formar Fe2TiO5, y puede reaccionar con Al2TiO5 por encima de 1350℃ para formar una solución sólida. La presencia de Fe2O3 puede actuar como catalizador para la formación de titanato de aluminio, acelerar la formación de titanato de aluminio y reducir la temperatura de síntesis.

En el proceso de preparación de cerámicas de titanato de aluminio utilizando polvo sintético de Al2TiO5 como materia prima, la introducción de ZrO2 puede mejorar significativamente la estructura y el rendimiento del material. La adición de ZrO2 puede aumentar la resistencia de los materiales refractarios de titanato de aluminio, mientras que tiene poco efecto sobre las excelentes propiedades térmicas del titanato de aluminio.

El SiO2 tiene una doble función: una es reaccionar con parte del Al2O3 para formar mullita de refuerzo; la otra es sustituir parte del A3 en el titanato de aluminio para formar una solución sólida en la forma siguiente y generar vacantes, inhibiendo la descomposición del titanato de aluminio durante el enfriamiento a través de una gama de temperaturas de 800-1300°C, a fin de lograr el propósito de estabilizar y aumentar el contenido de titanato de aluminio.

2. Influencia de las condiciones de proceso en la estructura y propiedades del titanato de aluminio:

Ya en 1952, Lang et al. informaron sobre la descomposición térmica del Al2TiO5. Señaló que el compuesto tiene dos formas cristalinas, 1820-1860℃ tipo de alta temperatura, 1300-1820℃ y temperatura ambiente-800℃ tipo de baja temperatura, inestable a 800-1300℃ y fácilmente descompuesto en rutilo y corindón.

En 1971, Bayer et al. señalaron que la inestabilidad térmica del Al2TiO5 no sólo está relacionada con su temperatura, sino también con el tamaño de grano y la pureza del material. Posteriormente, Kato, Kameyama et al. estudiaron más a fondo la reacción de descomposición del Al2TiO5 y concluyeron que la reacción es un proceso de nucleación y crecimiento, y su velocidad de reacción se ve afectada por los siguientes factores.

Kato trató térmicamente los polvos de diferente finura obtenidos por molienda de bolas del polvo sintético Al2TiO5 durante diferentes tiempos a 1120℃ y comprobó que cuanto más fino es el polvo, más fácil es su descomposición.

Sin embargo, si los polvos de distintas finuras se tratan térmicamente a 1310℃ durante 5h antes de los experimentos de descomposición térmica, se observa que la velocidad de descomposición de los distintos polvos disminuye, y cuanto más fino es el polvo, más difícil es su descomposición.

Kato atribuyó este fenómeno a la influencia de la molienda y el tratamiento térmico en la estructura cristalina, es decir, cuanto más fino es el polvo antes del pretratamiento, más defectos tiene en el interior y en la superficie, y la reacción de descomposición es fácil de nuclearse y, por tanto, más intensa;

Durante el pretratamiento, debido al proceso de tratamiento térmico de los cristales finos, es fácil que los iones se reorganicen para reducir los defectos del cristal y reducir la tensión interna, eliminando así tantos puntos activos de reacción de descomposición como sea posible, y la velocidad de reacción de descomposición disminuye en este momento.

El grado de microfisuración de los materiales refractarios de titanato de aluminio depende en gran medida del tamaño del grano. Existe un tamaño de grano crítico que puede formar microfisuras espontáneamente. Cuando el tamaño de grano es mayor que el tamaño crítico, las microfisuras se formarán espontáneamente en el límite del grano, y su tamaño de grano está relacionado con la temperatura de cocción.

Cuando la temperatura de cocción es baja, la granulometría crítica es mayor y las microfisuras son relativamente menos numerosas; cuando la temperatura de cocción es alta, la granulometría crítica es menor, los granos se agrandan y es más probable que se formen microfisuras, lo que se traduce en una menor resistencia mecánica y un coeficiente de dilatación térmica menor.

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